2021-4-9 | 生态质量论文
1引言
生态环境是人类生存和发展的基本条件，是经济、社会发展的基础[1]，许多学者[2-4]通过不同途径，利用多种手段，从各个角度研究人类所面临的生态环境问题，生态质量评价的方法很多，例如Andrew等人[5]利用传统气象模型，分析气候变化和人类活动对河流生态质量的影响；国庆喜等[6]根据景观分类图、各景观类型的属性数据库及1997年186个样地系统空间抽样数据，建立2个层次的生态评价指标体系，对保护区进行生态质量评价；肖荣波等[7]利用3S技术对城市绿地生态质量进行监测、对绿地景观格局及其动态进行分析等研究。但基于生态学、地理学、可持续发展等理论体系上的区域生态环境质量评价尚不成熟，至今尚没有一种完善、成熟并能得到广泛推广应用的评价方法。本研究所涉及的生态质量气象评价是从气象对生态质量影响的角度选定指标体系和质量标准，运用恰当的方法评价某一区域生态质量的优劣及其相互影响，从气象角度对区域生态质量进行评价，近年来，一些研究者在该领域开展研究，取得了一些成果[8，9]，虽然研究方向相近，但研究方法和评价指标各异。
本研究基于GIS和GS技术，参照中国气象局《生态质量气象评价规范（试行）》中的计算方法和评价指标，利用黑龙江省各气象站观测资料、EOS/MODIS遥感监测资料、全省DEM数据及相关统计数据，从湿润状况、植被状况、水体密度、灾害情况、土地退化状况5个方面，以2009年为例，对该省生态质量进行综合的气象评价。以期为黑龙江省生态监测的全面开展和生态评估系统的建立提供较为科学的技术方法和理论参考。
2研究区域概况
黑龙江省位于中国的东北部，介于121°11′~135°05′E，43°26′~53°33′N之间，全省土地面积47.4万km2，占全国总面积的4.7%，地势大致是西北部、北部和东南部高，东北部、西南部低，主要由山地、台地、平原和水面构成。该省处于温带东亚季风区的北部，雨热同季，气温年较差与日较差变化较大，气温纬向变化明显，随着纬度增高而气温降低，湿度经向变化明显，由东向西递减，依次出现东部山地湿润带、中部丘陵和台地的半湿润带、西部平原的半干旱带。全省年平均气温为-6~4℃，年平均降水量400~600mm，蒸发量900~1900mm，由南向北递减，年日照时数一般在2300~2800h。
3研究方法
3.1湿润指数湿润指数能较客观地反映某一地区的水热平衡状况。计算方法如下：式中，K--湿润指数；R--月平均降水量；ET--潜在蒸散量式中，ETi--月潜在蒸散量（mm）；di--月天数；Ui--月平均风速（m/s）；WOi--在温度为ti时的饱和水气压（mmHg）；hi--月平均相对湿度；Pi--月平均气压（mb）；ti--月平均气温（℃）当K＜1时，表示大气降水少于植被生理过程需水量；当K=1时，表示该区域大气降水与植被生理需水达到平衡；当K＞1时，表示大气降水大于植被生理过程需水量，降水条件不成为生理需水的限制因子。
3.2植被覆盖度植被覆盖度是生态状态的重要表征之一。通过EOS/MODIS资料计算出的归一化植被指数（NDVI）后，再计算植被覆盖度，公式如下：式中：N--植被覆盖指数，NDVI--归一化植被指数，ND-VI0--裸地像元NDVI，NDVIS--全植被覆盖像元的NDVI。本研究通过计算2009年全省旬NDVI值，寻找全省具有代表性的落地，提取NDVI，然后计算其平均值，即上式的ND-VI0=0.20。计算NDVIS的方法是找到全省4~10月NDVI的最大值，即上式的NDVIS=0.90，从而得到黑龙江省的植被覆盖度计算公式为：式中：H--单位区域植被覆盖度，Ni--像元的植被覆盖指数，Si--像元面积，S--单位区域面积，本研究以行政县为单位区域。
3.3水体密度指数水体密度指数是区域水体状况的重要表征之一，是单位区域水域面积与单位区域面积之比，其中水域面积包括河流湖泊、水库等水体面积。
3.4土地退化指数本研究参照水利部发布的行业标准《土壤侵蚀分类分级标准》SL190-96，对土壤侵蚀强度进行分级，然后按照下式计算土地退化指数：
3.5灾害指数灾害指数是指评价区域内遭受气象灾害的面积占被评价区域面积的比重。3.6综合评价指数本研究采用生态综合评价指标来评价生态质量的好坏，根据评价单元各单项评价指标值及各单项指标权重值，采用加权求和方法计算综合评价指标值，公式如下：式中：Pi--i区域的生态综合评价指数，Wi--i区域第j项指标的权重值，Yij--i区域第j项指标值。
4结果与分析
4.1湿润状况根据黑龙江省80个气象测站的气象观测资料分析，2009年全省平均气温为2.35℃，较常年低0.62℃；降水量为511.31mm，与常年相比基本持平；无霜期平均148d，与常年相比基本持平；≥10℃积温为2650.14℃，较常年低39.73℃。从分布上看，2009年平均气温普遍偏低，除饶河、鸡东、绥棱、青岗的年平均气温比常年高0.03~0.37℃外，全省其他大部分地区的年平均气温比常年同期低0.01~3.40℃，其中黑河、呼玛的年平均气温比常年同期低3℃以上。2009年降水分布不均，全省66.23%的县（市）的年降水量低于常年，其中五常县的年降水量偏低243.80mm，哈尔滨市大部、牡丹江地区大部、肇州、肇东、鸡西、杜尔伯特和嫩江的年降水量偏低100mm以上。运用湿润指数综合评价黑龙江省2009年的湿润状况。分析湿润指数分布图（图1a）可见，全省大部分县（市）的湿润指数在1及1以上，低于1的县（市）主要分布于全省的南部及西部。说明从全年的角度看，水分未成为全省限制植被生长的不利条件。
4.2植被覆盖状况本研究利用植被覆盖度来表征黑龙江省2009年的植被覆盖状况（图1b），分析可见，全省绝大部分县（市）的年平均植被覆盖度在20%~40%之间，其中大、小兴安岭及东部山地的植被覆盖度在30%~40%。而大庆地区的年平均植被覆盖度低于20%。
4.3水体状况利用EOS/MODIS卫星的250m分辨率遥感资料获取2009年全省各市（县）最大水体面积，后再计算水体密度指数。从图1c可见，黑龙江省2008年度各市（县）水体分布差异较大，只有密山的水体密度指数＞0.05，哈尔滨市呼兰区、嘉荫、杜尔伯特蒙古族自治县、大庆、安达、绥滨、呼兰等地的水体密度指数在0.01~0.05之间，其它县（市）的水体密度低于0.01。
4.4灾害状况2009年发生在全省的主要气象灾害有干旱、暴雨洪涝、冰雹、大风、雪灾和雷击，其中以旱灾为重，达303万hm2，干旱范围遍及全省，其中重旱区分布于齐齐哈尔、大庆、绥化、佳木斯、双鸭山地区及哈尔滨、伊春部分县（市），发生时间主要在5月份。从灾害指数分布图上看（图1d），全省有67.50%的县（市）发生了不同种类、程度的气象灾害，主要分布于该省的西部、中部及东部。从灾害程度看，饶河县和集贤县的灾害指数较高，原因是饶河县在5月份全县发生了重旱，在7月18日又发生的洪涝灾害，受灾面积达39733.4hm2；集贤县的灾害主要是5月份发生全县范围的重旱。